怎么尿才不会溅到自己身上？物理学家给你答案

普通人的最佳防溅角度约为 30 度。

作者 JENNIFER OUELLETTE

翻译 阿金

编辑 菡萏

加拿大滑铁卢大学（University of Waterloo）的科学家找到了防溅小便池的最佳设计方案：高挑纤细、结构曲线类似于鹦鹉螺壳的瓷质设计，被戏称为“鹦鹉螺池”（Nauti-loo）。对于小便后裤子、鞋子沾上尿渍的男士来说，这无疑是个好消息，对那些不得不定期清理所有飞溅污渍的可怜家伙们来说更是如此。它还有个额外优点：设计美观、引人注目，让公共厕所的格调提升了一个档次。

猜猜哪一个是团队设计的最佳防溅小便池？答案：右数第二个。来源：Mia Shi/滑铁卢大学

“设计思路源自你能想到的地方，”滑铁卢大学的 Zhao Pan 在接受《新科学家》（New Scientist） 采访时表示，“我认为大部分男士上厕所时总会有点不注意，结果低头一看，裤子上就斑斑点点了。没人喜欢随地小便，那何不造个尿液不会乱飞的小便池呢？”上周，他的研究生 Kaveeshan Thurairajah 在美国物理学学会（APS）于印第安纳波利斯（Indianapolis）举办的流体力学年会上报告了团队的研究结果。

科学家们不是第一次试图解决这个生活问题了。Pan 以前是 Tadd Truscott 的研究生，后者是美国犹他州立大学（Utah State University）的一位机械工程师，创立了“飞溅实验室”（Splash Lab）。2013 年，彼时还在杨百翰大学（Brigham Young University）的飞溅实验室提出了一系列实用技巧，告诉男性如厕时如何避免尿液飞溅回他们的卡其裤上。“坐着小便是最佳方式，因为尿液落入水池的距离最短。”我以前在 Gizmodo 上的一篇文章中写过，“如果你选择传统的站立式，那么科学家建议站得离小便池越近越好，角度直接向下，引导尿液流向便池后部。”

飞溅实验室出品的“尿液动力学”视频 来源：Splash lab

那些不了解最佳防溅技术的人可能不知道，Truscott 的另一位研究生 Randy Hurd 在 2015 年的 APS 流体力学年会上报告了另一类无飞溅小便池配件设计，它存在三种基本类型：第一类使用吸水布保持最小飞溅程度；第二类使用蜂窝状结构，用小支柱撑起具有很多小洞的层次，这样尿液穿过就不会飞溅出去；而第三类则以支柱阵列为特征。然而，吸水织物的吸收速度还不够快，很快就饱和了，而蜂窝层和支柱阵列结构无法防止尿液池的逐渐形成。

Hurd 和 Truscott 的配件设计灵感来自一种吸水性超强的苔藓——齿肋赤藓（Syntrichia caninervis），这类苔藓生存于极其干旱的气候环境中，因此非常善于收集并储存尽可能多的水。他们发现一种名为“梵塔黑”（Vantablack，碳纳米管黑体，目前已知最黑的物质之一）的人造材料模仿了这种苔藓的吸水特性，因此复制了梵塔黑的材料结构用作小便池配件，发现能成功防止尿液飞溅出来，可谓是“小便黑洞”。

梵塔黑 图片来源：Surrey NanoSystems, CC BY-SA 3.0.

当然，女士们也没有被排除在科学如厕比赛之外。女性有时也面临尿液漏溅问题，最明显的情况便是为了医学检测的需要而在小杯子中尿尿。2018 年，喷溅实验室展开了一系列实验，涉及解剖结构正确的女性尿道模型（他们使用柔性聚合物材料来模拟阴唇）。结果启发研究人员设计出“兰花杯”（已获专利）。这是一种可附加在尿液杯上的漏斗状器具，可以减少尿液溢出。这一研究设计让女性得以站着尿尿，对于军队中的女性以及在野外展开调查研究的女学者来说无疑是个福音。

兰花杯的介绍 来源：https://www.theorchidllc.com/about-orchid

根据 Pan 的设计，最佳防溅小便池的关键在于尿流撞击陶瓷表面的角度。只要角度足够小，尿液就不会飞溅回来——它会在表面平滑流动，不会飞出来。（对，尿液从飞溅到平滑流动之间存在一个临界阈值，因为相变无处不在，即使公共厕所中也有。）事实上，狗狗们抬起一条腿尿尿时已经算出了最佳角度，于是 Pan 团队在计算机上进行模拟，得到了人类尿尿的最佳角度：30 度。

团队还展开了一系列实验，将染色的液体以不同速度喷射到一系列由致密环氧树脂涂层泡沫构造出的模拟小便池中，后者既包括标准的商业用小便池，也有 1917 年马尔塞·杜尚（Marcel Duchamp）著名（也备受争议）的艺术装置“喷泉”。所有这些小便池产生的不同程度的飞溅都被科学家们用纸巾收集起来。随后这些纸巾被称了重，与干纸巾的重量进行比较，从而量化出飞溅程度。湿纸巾越重，飞溅程度越大。

Marcel Duchamp - Fountaine (1917) 来源：Cea.  CC BY 2.0.

下一步就是设计出为不同身高的男性提供最佳尿流角度的小便池。团队摒弃了常见的长方浅盒子的形状，而采用了鹦鹉螺壳的曲面结构。他们用鹦鹉螺状的原型重复了尿流模拟实验，一切搞定！团队没有观察到一滴飞溅出来的尿液。相比之下，其他小便池设计产生的飞溅量高达鹦鹉螺池的 50 倍！不过，有一种设计的实验效果优于鹦鹉螺池：开口呈三角形的圆形小便池，但 Pan 的团队并没有选择该种设计，因为它无法匹配所有人的身高。

原文链接：

https://arstechnica.com/science/2022/11/the-angle-at-which-dogs-pee-inspired-optimal-design-for-splash-free-urinal/

研究信息

【标题】Splash-free Urinals Inspired by Nautilus Shells and Dogs

【会议】75th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics

【摘要】

The practice of marking territory with urine is repulsive to most people; ironically, about half of the world's population (males) inadvertently marks bathroom floors, and themselves, through unintentional urinal splash back. This problem has persisted since the invention of the urinal over a century ago. We found that when a liquid jet or droplet train impacts a rigid surface below a certain critical impinging angle, almost no splatter is generated. Thus, a surface designed to always intersect the urine stream equal to or smaller than the critical angle prevents splash back. Inspired by nautilus shells and dog urination, we designed urinal surface geometries that effectively eliminate splatter by satisfying the splash-suppressing intersect criteria. Our numerical and experimental validations show that our urinal designs are superior to the typical use of a popular urinal available on the market as well as scenarios where urine steams are highly unstable (e.g. urinals in ships and airplanes undergo perturbation). Our new urinal designs will keep bathrooms cleaner and reduce the labor, water, and chemicals required for periodic cleaning to promote more sustainable bathroom maintenance.

【链接】

https://meetings.aps.org/Meeting/DFD22/Session/U12.8

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